超疏水表面的制备及其性能研究

论文摘要

超疏水表面具有优异的自洁性和超流动性。基于流动减阻的目的,本文采用不同的原料与方法,尝试在玻璃表面制备超疏水表面,并获得了成功；在H62黄铜、304不锈钢和1060铝片表面也分别成功的制备了超疏水表面；最后本文也对电极润湿性对锌空气电池性能的影响做了一些应用研究。具体工作有以下几点：（1）一步表面拉膜法：设计了一种制备疏水/超疏水材料的简易方法,即一步表面拉膜法。经过在光滑的石英玻璃表面（载玻片）吸附聚四氟乙烯（PTFE）,可以将水润湿性的石英表面的接触角从15。增大到138。左右；在充分干燥和保持PTFE化学成分不变的条件下,接触角的大小随浸泡时间、干燥时间、干燥温度变化很小；当PTFE乳液浓度较小时,其接触角随浓度的增大而近似线性增大,当浓度超过一定值后,接触角随PTFE乳液的浓度增大变化很小。（2）氢氟酸腐蚀法：通过对比载玻片只经过氢氟酸刻蚀处理和既经过刻蚀处理又经过氟硅烷修饰处理后,接触角与刻蚀时间的关系,发现氟元素是影响接触角大小的关键因素；在一定限度内,氢氟酸浓度越小,接触角随刻蚀时间延长而增大；浓度越大,接触角取得最大值所需要的刻蚀时间越短；随着氢氟酸浓度的逐渐变大,接触角先逐渐变大,到达一个峰值后,接触角又逐渐变小；当氢氟酸浓度较大之后,接触角的最大值近似为一定值。（3）溶胶-凝胶法：以三甲基氯硅烷和氟硅酸溶液为原料,采用溶胶-凝胶法成功制备了玻璃超疏水表面,接触角达到157。；并分别研究了三甲基氯硅烷和氟硅酸的摩尔配比、干燥温度、浸入时间、干燥时间对其表面润湿性的影响。研究发现,三甲基氯硅烷和氟硅酸的最佳摩尔比为2.5：1,干燥温度大于240℃小于400℃时接触角几乎保持最大值不变,玻璃表面形成了一种含有-CF3的疏水基团并且形成了一种特殊的粗糙结构,正是该粗糙结构与-CF3基团的疏水特性相结合才最终形成了玻璃超疏水表面。（4）化学腐蚀法：通过H62黄铜、304不锈钢、1060铝三种金属的超疏水表面的制备过程,发现先通过刻蚀液刻蚀出一种特殊的表面粗糙结构,再经过氟硅烷无水乙醇草酸溶液的表面氟化作用,可以制备出多种金属的超疏水表面。在金属活动性顺序表中位于铝和铜之间的金属似乎都可以采用类似的方法制备出超疏水表面。（5）润湿性理论的应用：通过制备适当润湿性的锌空电池的空气电极,可增加电池的功率,进而分析锌空电池的反应界面的特征。实验表明：随着空气电极暴露于空气中的面积的增加,锌空电池的功率逐渐增加,锌空电池放电功率与空气电极暴露面积成非正比的线性关系。进一步的实验表明：当空气电极全部水淹时,反应效率为零；锌空电池的空气电极反应区域是暴露于空气中的部分,水淹部分不参加反应。水线位置的反应效率最大,占总功率的80%以上,并且电池的反应功率随着电极暴露于空气中的面积的增大而增大,这是由于在水线位置氧气分子可以迅速的得到电解质中的电子。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 天然超疏水性材料
• 1.2 超疏水表面的定义和基本理论
• 1.2.1 超疏水表面的定义
• 1.2.2 超疏水表面的基本理论
• 1.3 人工超疏水表面的研究进展和制备方法
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 玻璃超疏水表面的制备
• 2.1 一步表面拉膜法制备疏水-超疏水玻璃表面的探索
• 2.1.1 实验部分
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.2 氢氟酸腐蚀法制备疏水-超疏水玻璃表面的探索
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.3 溶胶-凝胶法制备玻璃超疏水表面
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.3.3 玻璃超疏水表面形成的机理分析
• 2.4 小结
• 第3章 金属（铜、钢、铝）超疏水表面的制备
• 3.1 H62黄铜超疏水表面的制备
• 3.1.1 实验部分
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.2 304不锈钢超疏水表面的制备
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 1060铝超疏水表面的制备
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 小结
• 第4章 润湿性理论的应用研究
• 4.1 空气电极的润湿性
• 4.2 空气电极摆放方式对锌空气电池性能的影响
• 4.2.1 锌空电池空气电极摆放实验研究
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.2.3 空气电极含水量的实验
• 4.2.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的研究成果